CC BY
11
Исследование микроразмерных металлических структур, полученных методом электрического взрыва проводников (часть 2)
А.Л. Суркаев, М.М. Кумыш, В.И. Усачев, В.Б. Светличная, Т.А. Сухова, Т.А. Матвеева, Д.А. Мустафина, И.В Ребро, Г.А. Рахманкулова.
Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград
Аннотация: В статье представлены результаты генерации микроразмерных металлических частиц методом электрического взрыва металлических проводников (ЭВП) и получения тонких пленок методом электровзрывного напыления (ЭВН). Экспериментально получены осциллограммы разрядного тока и напряжения, использование которых позволяет определить мощность, выделяемую взрывающимся проводником, а, следовательно, вложенную энергию. Посредством универсальной двулучевой электронной системы Versa 3D определены параметры получаемых микрочастиц и тонких пленок, а, также осуществлен физико-химический анализ. В результате исследований показано, что при протекании плотности разрядного тока ]~1010Л/м2 миллисекундного диапазона толщина пленок и размеры частиц как для обычных металлов, так и для тугоплавких, могут достигать величин меньше микронного масштаба.
Ключевые слова: электрический взрыв проводников, тонкие металлические пленки, мелкодисперсные частицы.
На сегодняшний день информация о становлении и дальнейшем развитии нанотехнологии, которая является одним из приоритетных направлений в современном научном мире, представлена широким спектром [1 - 4]. Метод электрического взрыва проводников (ЭВП) представляется одним из применяемых и перспективных способов [5] получения напыляемых тонких пленок и мелкодисперсных порошков микронного и наноразмерного диапазона. Представленная работа является продолжением экспериментальных исследований, опубликованных ранее [6, 7]. В данной работе сделан акцент пленкам и микрочастицам тугоплавких металлов.
Целью данной работы является получение микроразмерных металлических пленок и частиц методом электровзрывного напыления (ЭВН) и электрического взрыва проводников (ЭВП) в воздушной атмосфере и проведение физико-химического анализа получаемых микроструктур.
Метод получения образцов напыляемых пленок и генерации микрочастиц является общеизвестной и доступной [8]. Описание методики эксперимента и анализ параметров получаемых в процессе ЭВП микроструктур представлен в ранее опубликованной работе [9]. В данной серии экспериментов получение тонких пленок и генерация микрочастиц осуществлялось методом электрического взрыва проволочек различных металлов (медь Cu, нихром NiCr, титан Ti, нержавеющая сталь, никель Ni) на аморфные (стекло) и металлические (железо, алюминий) подложки. Электрические сигналы с пояса Роговского (ПР) и делителя напряжения (ДН) регистрировались запоминающим двулучевым электронным осциллографом (ЭО). Посредством программного обеспечения получаемая информация поступала в оперативную память персонального компьютера (ПК) и подвергалась необходимой обработке. Универсальная двулучевая система -Versa 3D (электронно-ионный двулучевой микроскоп) позволяет осуществить трехмерную визуализацию микрообъекта и произвести физико-химический анализ получаемых металлических микроструктур.
На рис. 1 представлены характерные осциллограммы разрядного тока и напряжения электрического взрыва медного (Cu) проводника с геометрическими параметрами А=70мм, й=0,35мм - (рис. 1a) и А=150мм, d=0,4MM -(рис. 1b), соответственно. На осциллограмме тока наблюдается ярко выраженная пауза тока, определяющая момент непосредственно взрыва проводника (показана белой стрелкой). Тем не менее, использование энергетической установки с данными техническими характеристиками [7] и взрывающегося медного (Cu) проводника с представленными геометрическими параметрами (рис. 1a) не позволяет сформировать электрический взрыв, протекающий в согласованном режиме согласно [10], т.е. полное выделение энергии в первой половине полупериода разряда.
Наиболее яркое усугубление обстоятельства проявляется с увеличением длины проводника до к=150мм и диаметра d=0,4мм, в этом случае момент взрыва располагается в первой четверти периода (рис. 1Ь), не достигая максимального значения тока, и вся энергия конденсаторного накопителя реализуется за весь полный период.
Рис. 1 - Осциллограммы 1 - тока разряда и напряжения - 2 ЭВП медной (Си) проволочки с геометрическими параметрами к=70мм, d=0,35мм - 1(а) и с геометрическими параметрами к=150мм, d=0,4мм - 1(Ь)
На рис. 2 представлены графики потребленной мощности, полученные при электрическом взрыве медных (Си) проволочек с данными геометрическими размерами, из которых вытекает значение введенной в проводник энергии. На рис. 3 показаны характерные микрофотографии металлической пленки (а) и микрочастиц (Ь) меди (Си) микронного масштаба на стальной подложке.
Осциллограммы результатов экспериментальных исследований электрического взрыва тугоплавких металлов показаны для нихромовой (№Сг) проволочки на рис. 4 и для никелевой (N1) проволочки на рис. 5. Формирование согласованного режима протекания взрыва проводников, выполненных
II Инженерный вестник Дона, №8 (2019) НЩ ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2019/6151
из тугоплавких металлов, в воздушной атмосфере сопровождается техническими трудностями вследствие возникновения шунтирующего разряда по поверхности проводника, что сказывается на определении момента времени собственно непосредственно взрыва.
Р 1Л* Пт
Р ИГ Вт ¿5
Рис. 2 - Графики потребленной мощности как функции времени при ЭВП медной (Си) проволочки параметрами А=70мм, й=0,35мм - 2 (а) и 2(Ь) и с параметрами А=150мм, d=0,4мм - 2(с) и 2(ё) для первого и второго полупериода, соответственно
N Инженерный вестник Дона, №8 (2019) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2019/6151
Микрофотографии (рис. 6) демонстрируют характерные размеры металлической тонкой пленки (а) и микрочастиц (Ь) ЭВП нихромовой (№Сг) проволочки на стальной подложке, достигающие микронного и меньшего размера в диаметре.
Рис. 3. - Микрофотографии металлической пленки (а) и микрочастиц (Ь) меди (Си) на стальной подложке, полученные методом ЭВП.
шт ЕЭСЕ
пяишт
Рис. 4. - Осциллограммы тока -1 и на- Рис. 5. - Осциллограммы тока -1 и
пряжения - 2 ЭВП. Параметры нихро- напряжения - 2 ЭВП. Параметры
мовой (№Сг) проволочки А=30мм, никелевой проволочки (N1) А=20мм,
d=0,04мм. d=0,17мм.
В таблице № 1 показан анализ распределения микрочастиц в соответствие их размеров, находящихся в локально выделенной площадке, для ЭВП медной (Си) и нихромовой (№Сг) проволочек. Изучение дисперсного состава
II Инженерный вестник Дона, №8 (2019) НЩ ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2019/6151
и морфологии частиц электровзрывных порошков металлов А1, Си, Бе, N1, Мо, W проводились, в частности, в работе [11], но провести сравнительный анализ полученных результатов проблематично вследствие разности параметров энергетических установок, тем не менее, наблюдается совпадение результатов в области определения диаметров частиц микронного диапазона.
Рис. 6. - Микрофотографии металлической пленки (а) и микрочастиц (Ь) на стальной подложке, полученные методом ЭВП нихромовой (№Сг) проволочки с параметрами Х = 30 И , ё = 0,04И .
Таблица № 1
Характерное распределение размеров микрочастиц
Пр Характерные размеры, мкм
ов Под
ол оч лож ка 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7+
ка
стек ло 49 23 6 6 5 2 2 2 0 0 0 0 0 0 95
Си
А1 2 10 11 1 3 5 0 3 1 1 1 0 0 0 38
Бе 18 14 6 8 7 1 5 3 1 1 0 0 1 1 3
N1 стек ло 309 93 23 24 15 6 4 2 1 2 3 1 0 0 0
Сг А1 56 19 12 10 11 1 2 2 1 1 0 0 1 0 0
Бе 60 31 24 14 6 9 0 3 1 1 1 1 0 1 1
Дальнейшие эксперименты по получению микрочастиц посредством ЭВП металлической титановой (Т1) (рис. 7) и никелевой (N1) проволочки с размерами А=20мм, ё=0,29мм и А=20мм, ё=0,17мм, соответственно. Анализ
микрофотографий показывает, что микрочастицы имеют ярко выраженную сферическую форму микронного и меньшего размеров диаметров, причем на поверхности полученных частиц наблюдаются и частицы, диаметр которых составляет десятки и менее нанометров, что убедительно согласуется с результатами работ [12, 13]. Т.е. действительно, частицы нанометрового диапазона покрывают поверхность больших частиц и образуют индивидуальные агломераты.
Рис. 7. - Микрофотографии металлической микрочастицы титана (Т1) (а) диаметром Dn~1,8 мкм и наночастицы (Ь) на ее поверхности диаметром
с/„<20пм.
Рис. 8. - Микрофотографии микрочастиц никеля (№) (а) и микрочастицы (№) (Ь) диаметром DNi~965нм и наночастицы на ее поверхности диаметром.
DNi<16нм.
Таким образом, в работе представлены результаты экспериментальных исследований процесса электрического взрыва металлических проводников (ЭВП), выполненных в виде проволочек из меди (Cu) и тугоплавких металлов (NiCr, Ti, Ni), продемонстрированы результаты получения тонких пленок методом электровзрывного напыления (ЭВН) и генерации металлических частиц микронного размера. Электрический взрыв проводников протекал в микросекундном временном интервале в не согласованном режиме, при этом наблюдались мелкодисперсные частицы размерами нанометрового диапазона и тонкие пленки толщиной сотни нанометров.
Литература
1. Sedoi V.S., Ivanov Y.F. Nanotechnology - 2008. Vol. 19. A. № 145. P. 710.
2. Булгаков А.В. и др. Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество // коллективная монография. - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. - С. 432с.
3. Терехов С.В. Варюхин В.Н., Юрченко В.М. Нанотехнологии. - изд. - Донецк: ДонНУ, 2018. - 261 с.
4. Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С., Ерошина Ю.Ю., Мироненко О.О., Габдеев М.М. Исследование газочувствительности пленок ZNO, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления // Инженерный вестник Дона, 2012. № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1355.
5. Волков Н.Б., Майер А.Е., Седой В.С., Фенько Е.Л., Яловец А.П. Механизмы генерации наноразмерных металлических частиц при электрическом взрыве проводников // ЖТФ, 2010, Т. 80, В. 4. С. 77-80.
6. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Сухова Т.А., Светличная В.Б., Матвеева Т.А. Определение параметров микроразмерных металлических структур электрического взрыва проводников // Наукоёмкие инновационные технологии и экологическая безопасность в энергетике. - г.Волжский: Изд:
Филиал ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский университет "МЭИ" в г. Волжском, 2018.
7. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Сухова Т.А., Светличная В.Б., Матвеева Т.А., Мустафина Д.А., Ребро И.В., Рахманкулова Г.А. / Исследование микроразмерных металлических структур, полученных методом электрического взрыва проводников // Инженерный вестник Дона, 2019, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5869.
8. Арнольд Г., Конн У. Электрический взрыв проводников // Под ред. Рухадзе А.А. М.: Мир. 1965. - 360 с.
9. Суркаев А.Л. Элементы физики высокоэнергетических импульсных процессов в конденсированных средах/Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2015 - 157 с.
10. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости / Киев: Наукова думка, 1986. - 205 с.
11. Коршунов А.В. Особенности дисперсного состава и морфологии частиц электровзрывных порошковых металлов / Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 3, С. 9-16.
12. Доровской В.М., Елесин Л.А., Столяров В.Л., Стеблевский А.В., Уруцко-ев Л.И., Филиппов Д В. / Исследование продуктов электровзрыва титановых фольг с помощью электронного микроскопа // Прикладная физика № 4. 2006, С. 28-34.
13. Ильин А.П., Назаренко О.Б., Тихонов Д.В., Толбанова Л.О. / Получение нанопорошков молибдена в условиях электрического взрыва проводников // Известия Томского политехского университета. 2009. Т. 314. № 3, С.31-35.
References
1. Sedoi V. S., Ivanov Y. F. Nanotechnology. 2008. Vol. 19. A № 145 P. 710.
2. Bulgakov A.V. i dr. Sintez nanorazmernyh materialov pri vozdejstvii moshhnyh potokov jenergii na veshhestvo [Synthesis of nanoscale materials under the influ-
Il Инженерный вестник Дона, №8 (2019) НЩ ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2019/6151
ence of powerful energy flows on matter], Novosibirsk: Institut teplofiziki SO RAN, 2009, 432 р.
3. Terehov S.V., Varjuhin V.N., Jurchenko V.M. Nanotehnologii [Nanotechnolo-gy, Izd. Doneck: DonNU, 2018. 261 р.
4. Gusev E.Ju., Gamaleev V.A., Mihno A.S., Eroshina Ju.Ju., Mironenko O.O., Gabdeev M.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012. № 4. URL: iv-don.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1355.
5. Volkov N.B., Majer A.E., Sedoj V.S., Fen'ko E.L., Jalovec A.P. ZhTF, 2010, T. 80, V. 4. рр. 77-80.
6. Surkaev A.L., Kumysh M.M., Usachev V.I., Suhova T.A., Svetlichnaja V.B., Matveeva T.A. s.Volzhskij: Izd: Filial FGBOU VO "Nacional'nyj issledovatel'skij universitet "MJeI" v g. Volzhskom, 2018.
7. Surkaev A.L., Kumysh M.M., Usachev V.I., Suhova T.A., Svetlichnaja V.B., Matveeva T.A., Mustafina D.A., Rebro I.V., Rahmankulova G.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2019/5869.
8. Arnol'd G., Konn U. Jelektricheskij vzryv provodnikov [Electrical explosion of conductors]. M.: Mir. 1965. 360 р.
9. Surkaev A.L. Volgograd: IUNL VolgGTU, 2015. 157 р.
10. Krivickij E.V. Dinamika jelektrovzryva v zhidkosti [Dynamics of electric explosion in a liquid]. Kiev: Naukova dumka, 1986. 205 р.
11. Korshunov A.V. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2012. T. 320. № 3, рр. 9-16.
12. Dorovskoj V.M., Elesin L.A., Stoljarov V.L., Steblevskij A.V., Uruckoev L.I., Filippov D V. Prikladnaja fizika № 4. 2006, рр. 28-34.
13. Il'in A.P., Nazarenko O.B., Tihonov D.V., Tolbanova L.O. Izvestija Tomskogo politehskogo universiteta. 2009. T. 314. № 3, рр.31-35.
